وفقًا لقانون حفظ الطاقة، لا يمكننا توليد الطاقة من اللاشيء، ولكن يمكننا تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، نحتاج دائمًا مواد معينة لتحويل شكل من أشكال الطاقة إلى شكلٍ آخر لإنجاز وظائف معينة، على سبيل المثال عندما نحرق ورقة باستخدام عود ثقاب، فإن الطاقة الضوئيَّة الناتجة ما هي إلا نتيجة لتحويل الطاقة الحراريّة الناتجة من عود الثقاب إلى طاقة ضوئيّة. تُعرَف المادة التي يمكننا الحصول منها على الطاقة باسم الوقود. وأنواع الوقود كثيرة، سنتعرف إليها بالتفصيل في هذا المقال. [3]

الوقود

يُعتبر الوقود مادة قابلة للاشتعال تتفاعل مع الأكسجين، فتتحوَّل الطاقة الكيميائيّة المختزنة بها إلى طاقة حراريّة من خلال تفاعل طارد للحرارة. والوقود هو مستودع الطاقة الذي يُستهلك لتوفير بعض الخدمات التي تتطلب وجود مصدر للطاقة مثل، التدفئة، والطبخ، وتوليد الكهرباء، وتشغيل المحركات كالسيارات والقطارات وغيرها.

وهناك الوقود الذي تستخدمه أجسادنا. كل خلية تتطلب طاقة لأداء وظائفها. يحصلون على هذه الطاقة من الجزيئات العضوية مثل الكربوهيدرات، والدهون وما إلى ذلك. تُعرف عملية استخدام الوقود هذه بالتنفس الخلوي. ويتم الحصول على هذه الجزيئات العضوية عن طريق التغذية، ولهذا السبب نُطلق على الطعام وقودًا لأجسامنا. [2]

أنواع الوقود

يُمكِن تقسيم الوقود حسب الحالة الفيزيائيّة إلى وقود صلب، ووقود سائل، ووقود غازي.

الوقود الصلب

يُشار إلى الوقود الموجود في حالته الصلبة في درجة حرارة الغرفة عمومًا باسم الوقود الصلب، كان الوقود الصلب هو أول أنواع الوقود التي استخدمتها البشرية.

تُستخدَم مجموعة متنوعة من أنواع الوقود في المنازل في البلدان النامية لأغراض الطهي والتدفئة. يشير الوقود الصلب إلى كلٍ من وقود الكتلة الحيويّة، والفحم. الوقود الأكثر شيوعًا المستخدم في الطهي، والتدفئة هو الخشب. يليه أنواع وقود الكتلة الحيويّة الصلبة الأخرى، مثل الفحم النباتي، والروث، والمخلفات الزراعيّة، وأحيانًا الأوراق والأعشاب. غالبًا ما يتم جمع هذه الأنواع من الوقود من البيئة المحليَّة في المناطق الريفية، وتُشترى من الأسواق في المناطق الحضرية. [4]

مزايا الوقود الصلب

• سهولة النقل والتخزين.
• تكلفة إنتاج منخفضة.
• درجة الحرارة اشتعال معتدلة.

سلبيات الوقود الصلب

• يفقد جزء كبير من الطاقة.
• التحكم في الاحتراق صعب.
• محتوى الرماد مرتفع. [3]

الوقود السائل

هذه هي أنواع الوقود التي نحرقها لإنتاج طاقة ميكانيكيّة وطاقة حركيّة. تتشكَّل معظم أنواع الوقود السائل مثل النفط الخام، بسبب التعرُّض للحرارة الشديدة والضغط، على بقايا النباتات، والحيوانات المتحجرة. [2]

أمثلة على الوقود السائل

البترول وقطران الفحم الزيوت الناتجة عن تقطير البترول الكيروسين والديزل والبنزين والزيت الصخري.

مزايا الوقود السائل

• قيمة حراريّة أعلى لكل وحدة كتلة.
• يحترق بدون رماد.
• التحكم في الاحتراق أسهل.
• النقل أسهل عبر الأنابيب وتخزينها إلى أجل غير مسمى دون خسارة.
• فقدان الطاقة أقل نسبيًا.
• تتطلب مساحة فرن أقل للاحتراق.

سلبيات الوقود السائل

• تكلفة الوقود السائل أعلى بكثير مقارنة بالوقود الصلب.
• زيادة مخاطر حدوث حريق بسبب سهولة اشتعاله.
• تتطلب معدات الاحتراق الخاصة احتراقًا أكثر كفاءة. [3]

الوقود الغازيّ

يتواجد الوقود الغازيّ في الطبيعة، إلى جانب تصنيعه من الوقود الصلب والسائل. تتكون معظم أنواع الوقود الغازيّ من الهيدروكربونات، أو أول أكسيد الكربون، أو الهيدروجين، أو خليط منهم جميعًا.ومن أمثلة الوقود الغازيّ: الغاز البترولي، والغاز الطبيعيّ (الميثان)، والغاز الحيويّ، وأول أكسيد الكربون، وغاز البروبان.

مزايا الوقود الغازيّ

• النقل عبر الأنابيب سهل.
• سهولة الاحتراق.
• لديهم محتوى حراري أعلى.
• نظيفة وسهلة الاستخدام.
• لا تتطلب أي تقنية خاصة للموقد.

سلبيات الوقود الغازيّ

• يشغل مكان تخزين كبير.
• نظرًا لأنها شديدة الاشتعال، فإن احتمالية حدوث مخاطر الحريق عالية للغاية ويجب اتباع إجراءات أمان صارمة. [3]

الوقود الحيويّ

يمكن أن يكون الوقود الحيويّ صلبًا، أو سائلًا، أو غازيًا. الشرط الوحيد هو أنه يجب اشتقاقه من الكتلة الحيويّة. لذلك فهو في الأساس وقود مشتق من مادة حيّة يمكن تجديده. أحد الأمثلة على ذلك هو الإيثانول المصنوع من نفايات قصب السكر. [2]

الوقود الأحفوريّ

الوقود الأحفوريّ هو البقايا الميتة والمتحلّلة للنباتات والحيوانات التي تعرضت لعقود من الضغط ودرجة الحرارة تحت قشرة الأرض. الوقود الأحفوريّ هو الهيدروكربونات. إنها فعالة وسهلة، وتوفر القيمة الحراريّة المطلوبة لتلبية احتياجاتنا. على الرغم من توفرها بكثرة في الوقت الحالي، إلا أنها مصدر غير متجدد للطاقة. يُعد حرق الوقود الأحفوريّ مسؤولًا عن جزءٍ كبير من مؤشر التلوث العالميّ. [3]

أنواع الوقود الأحفوريّ

• الفحم.
• النفط.
• الغاز طبيعي.

الوقود النوويّ

أي مادة تُستهلَك لتوليد الطاقة النَّوويّة هي وقود نوويّ. من الناحية الفنية، يمكن تصنيع أي مادة لتوليد الطاقة النَّوويّة. ولكن بالنظر إلى التطبيق العملي، فإننا نختار المواد التي لا تتطلَّب قيودًا شديدة لإطلاق الطاقة النوّويّة.

تحتوي معظم أنواع الوقود النَّوويّ على عناصر انشطاريّة ثقيلة قادرة على الانشطار النَّوويّ. عندما تصطدم النيوترونات بهذه الأنواع من الوقود، فإنها بدورها قادرة على إصدار نيوترونات عندما تنفصل. هذا يجعل من الممكن حدوث تفاعل تسلسلي مستدام ذاتيًا يُطلِق الطاقة بمُعدل يمكن التحكم فيه في مفاعل نوويّ، أو بمعدل سريع للغاية لا يمكن التحكم فيه كالسّلاح النَّوويّ.

بعض الأمثلة الشائعة للوقود النوّويّ هي اليورانيوم، والبلوتينيوم. [3]

خصائص الوقود

لا يمكن استخدام جميع المواد القابلة للاحتراق كوقود لجميع التطبيقات. هذا لأنه على الرغم من أن جميع أنواع الوقود تُنتِج الحرارة، والضوء عند الاحتراق، إلا أن بعضها يُنتِج طاقة أكثر من غيرها. إلى جانب كمية الطاقة المُنتجة، يعتمد اختيار الوقود، سواء للاستخدام المنزلي، أو الصناعي أيضًا على تكلفته، وكفاءته، وتوافره، ومدى التلوث الذي يسببه.

 سمتان مهمتان للوقود هما قيمته الحراريّة وكفاءته.

تعرَّف القيمة الحراريّة للوقود على أنها كمية الحرارة الناتجة بالكيلو جول عند حرق جرام واحد من الوقود بالكامل. وحدة تمثيل القيمة الحراريّة هي كيلو جول (kJ) يتم التعبير عن القيمة الحراريّة بعبارات بسيطة، كلما زادت القيمة الحراريّة للوقود، زادت الحرارة التي ينتجها عند الاحتراق. وبالتالي، كلما زادت القيمة الحرارية للوقود، كان الوقود أفضل.

عندما يتم حرق الوقود، يتم فقد بعض الطاقة على شكل حرارة مُهدرَة، والتي لا يمكن استخدامها للطهي، أو لأغراض أخرى، هذا ما يؤثر على كفاءة الوقود، حتى الآن، لا يُعرف أي جهاز لحرق الوقود بكفاءة 100٪. [1]

الخصائص المهمة للوقود المثاليّ

• يجب أن تكون له قيمة عالية من السعرات الحراريّة.
• يجب أن تكون درجة حرارة الاشتعال منخفضة، ولكن أعلى بكثير من درجة حرارة الغرفة. إذا كانت درجة حرارة الاشتعال منخفضة للغاية، فسوف يشتعل الوقود بسهولة (مما قد يكون خطيرًا) وإذا كان مرتفعًا جدًا، يجب تسخين الوقود لفترة طويلة قبل أن يشتعل.
• يجب أن يحتوي على معدل احتراق معتدل، ويجب أن يطلق الحرارة بطريقة يمكن التحكم بها.
• يجب أن تكون رخيصة الثمن، ومتاحة بسهولة.قد يكون للوقود قيمة عالية جدًا من السعرات الحرارية، ولكن إذا كان باهظ الثمن وغير متاح بسهولة، فلا يمكن استخدامه على أساس يومي.
• يجب أن تكون آمنة في التعامل معها، وتخزينها، ونقلها.
• لا ينبغي أن يسبب تلوث عند الاحتراق.

لنناقش بعض أنواع الوقود بناءً على هذه الخصائص

الهيدروجين:  يُعتبر الهيدروجين أفضل وقود لأنه يحتوي على أعلى قيمة من السعرات الحراريّة. ومن ثم فهو يعتبر أفضل وقود. ومع ذلك، نظرًا لأنها شديدة الاشتعال، فهناك صعوبات مرتبطة بنقلها، وتخزينها. لذلك، يُستخدم كوقود فقط عند الضرورة القصوى مثل وقود الصواريخ.

الميثان وغاز البترول المسال: لكلٍ من الميثان، وغاز البترول المُسال قيَم عالية من السعرات الحراريّة. يحترقون بنار لا يدخن وبدون رماد، وبالتالي لا تسبب التلوث، إنها مثالية للاستخدام كوقود محلي.

البنزين والديزل: يُستخدَم كل من البنزين، والديزل بشكل رئيسي في السيارات. العيب الرئيسيّ هو توافرها المحدود. عيب آخر هو أن احتراقها يُطلق غازات ضارة في الغلاف الجوّيّ. [1]